綜采工作面過斷層架前漏頂機理及控制技術

譚昌盛

（山西煤炭運銷集團掌石溝煤業有限公司，山西 晉城 048400）

1 概述

掌石溝煤礦15104 工作面東部為實體煤，南部與一采區三條大巷相連，西部與15103 回風順槽相距150 m，為回采實體煤，北部為原掌石溝礦15101 工作面采空區，留設30 m 保護煤柱。

15104 工作面設計走向長度為1046 m，傾向長度為180 m，回采煤層為15#煤層，煤層結構較簡單，含0～2 層夾矸，上部夾矸0.3～0.5 m，下部夾矸0.25～0.3 m，煤層厚度為3.55～4.84 m，平均厚度4.19 m。煤層頂底板巖性見表1。

表1 15#煤層頂底板巖性表

15104 工作面地質構造相對單一，主要以中小斷層為主。工作面推進至740 m 處時位于34#支架前方揭露F11 正斷層，斷層落差為1.8 m，傾角為54°。斷層從34#～36#支架前方煤壁侵入向機頭方向貫穿，在工作面前方49 m 處運輸順槽處揭露。

2 工作面過斷層冒漏機理

2.1 工作面回采現狀

15104 工作面揭露F11 斷層后，斷層兩盤煤柱出現空間位移，34#支架向機頭方向煤柱為斷層上升盤，36#往機尾方向為斷層下降盤，工作面揭露斷層后從機頭向機尾方向采用俯斜回采工藝。早班工作面推進至745 m 處時位于33#～36#支架前方頂板出現冒漏，冒漏長度為3.7 m，寬度為1.5 m，高度為1.4 m。工作面冒漏后及時超前移架（20#～40#支架）并減小采煤機截割深度為0.5 m，但是夜班第二刀割煤時再次出現冒漏，并與早班冒漏區貫穿，造成33#、34#、35#、36#四架支架頂梁上方出現“鏤空”現象，支架初撐力及工作阻力不達標，工作面被迫停產。

2.2 斷層區頂板冒漏機理

1）構造應力影響。15104 工作面揭露斷層后，斷層附近圍巖在構造應力作用下出現嚴重破碎現象。隨著工作面推進，斷層區圍巖裂隙發育帶范圍不斷擴大，造成圍巖失穩，集中表現在煤壁片幫、端面距加大且端面破碎、斷裂等，導致頂板冒漏。

2）回采工藝影響。15104 工作面揭露斷層后，從機頭向機尾方向采用俯斜回采工藝，采煤機下行割煤至30#支架時以8°下山角俯斜回采。俯斜回采期間對斷層上盤煤柱預留頂煤，回采至47#支架處完全揭露斷層下盤頂底板。俯斜回采期間30#～37#支架前方煤柱預留頂煤厚度在0～1.0 m，頂煤預留難度大，易垮落。

3）支架支護強度低。15104 工作面采用俯斜回采時，俯角大，該區域支架易傾斜，支架頂梁與頂板接觸面積不足70%，俯斜期間頂板失穩現象嚴重，支架對頂板施加支撐力時頂板出現擠壓破碎現象，造成支架初撐力及工作阻力不足，支護強度低。

3 架前冒漏區控制技術[1-5]

3.1 圍巖注漿加固

為了提高斷層區圍巖穩定性，對斷層區域煤柱采取注漿加固，注漿加固區主要分為切巷煤柱和順槽煤柱。

3.1.1 注漿鉆孔布置

1）15104 工作面揭露斷層后，在745～760 m段主要對工作面進行注漿加固。注漿鉆孔布置在30#～45#支架前方煤壁上，鉆孔開口位置距頂板1.0 m，鉆孔深度為5.0 m，直徑為45 mm，布置仰角為45°，布置間距為2.0 m。

2）當15104 工作面推進至760 m 后，隨著斷層向機頭方向延伸，機頭側三角煤柱出現垮落，在760～790 m 段需對端頭三角區域布置注漿鉆孔。鉆孔深度為8.0 m，鉆孔布置在運輸順槽位于工作面側煤柱上，鉆孔垂直煤柱布置，布置間距為3.0 m。

3.1.2 注漿材料

考慮到工作面在斷層區圍巖破碎嚴重，圍巖抗壓強度低且裂隙高度發育，所以選擇的注漿材料必須具有滲透力強、粘接力好、凝固體強度高且具有一定的發泡效果，所以注漿材料選取美固MP367。該注漿材料主要由A、B 組分組成且以1:1 混合而成，漿液凝固速度快，發泡率高，反應溫度低，具有很好的阻燃性和抗靜電性。

3.1.3 注漿施工

1）采用雙液化學注漿泵進行注漿施工，注漿泵最大注漿流量為9.4 L/min，往復頻率為75 min-1，耗氣量為2.1 m3/min，額定注漿壓力為14 MPa，出漿口最大壓力為24 MPa。

2）注漿時從機頭向機尾方向依次注漿，注漿先高壓后低壓，穩定注漿壓力為6 MPa，穩壓時間不得低于10 min。

3.2 人工勾頂

為了對架前冒漏區實現封堵、填充，防止支架過冒漏區時出現初撐力、工作阻力不足現象，決定對冒漏區采取人工勾頂施工。

1）首先在32#～37#支架前方冒漏區頂板施工4架錨索吊棚，吊棚垂直煤壁布置，每架錨索吊棚長度為2.5 m，由1 根工字鋼梁和2 根長度為4.5 m、直徑17.8 mm 錨索組成，錨索吊棚布置排距為3.0 m，如圖1。

2）錨索吊棚施工完后，在吊棚上方沿工作面傾向方向鋪設4 排槽鋼，每排布置2 根，每根槽鋼長度為5.0 m，布置排距為0.5 m，槽鋼與錨索吊棚之間采用雙組卡纜交叉固定。

3）槽鋼固定后，在其上方鋪設鋼筋網、風筒布并架設“井”字型道木，道木鋪設到位后，采用張拉機具對錨索吊棚進行預緊。

3.3 超前管棚支護

注漿及人工勾頂完成后，工作面回采前對俯斜段頂板施工一排超前管棚支護，防止留頂區冒漏、垮落。

1）超前管棚支護施工在30#～47#支架前方煤壁上，管棚支護體采用長度為3.0 m、直徑為30 mm無縫中空鋼管，端頭設置為削尖狀。管棚支護布置在設計俯斜頂板位置，以3°仰角布置，布置間距為0.5 m。

2）管棚支護施工后，當工作面推進2.5 m 時，施工第二排超前管棚支護，相鄰兩排疊加布置，疊加長度為0.5 m，并采用JW 型鋼帶進行固定。

圖1 15104工作面過斷層架前冒漏區支護技術示意圖（mm）

4 效果

1）增加了圍巖穩定性。通過對工作面斷層區圍巖注漿加固后，注漿液滲透凝固能夠及時對圍巖裂隙填充、封堵，并實現粘接作用，防止了裂隙區應力釋放破壞作用，化學注漿改變了圍巖性質及力學結構，圍巖單軸抗壓強度提高至47 MPa。

2）控制了冒漏現象。對冒漏區采取人工勾頂后實現了對冒漏區的封堵，保證了支架在冒漏區的支護強度，避免了冒漏區瓦斯積聚以及氧化自燃等事故發生。

3）提高了支架支護強度。對斷層區圍巖采取注漿、人工勾頂以及超前管棚支護后，提高了架前頂板穩定性，保證了冒漏區支架支護強度，實測后期支架冒漏區初撐力及工作阻力提高至95%以上，未出現支架倒架、頂梁鏤空等現象。

5 結語

15104 工作面過斷層期間架前冒漏區采取“注漿加固、人工勾頂以及超前管棚”措施，對冒漏區起到了顯著的控制作用，加快了工作面回采速度，減少了斷層區頂板冒漏、煤壁片幫等現象，達到了預期控制效果，取得了顯著應用成效。